第三章 集成运算放大器

本章要求一、了解集成运算放大器主要参数的意义二、掌握运算放大器的电压传输特性，掌握理想运算放大器的基本分析方法三、掌握比例、加、减、微分和积分运算电路的原理了解有源滤波器的工作原理。四、掌握电压比较器的工作原理和应用。第三章集成运算放大器第一节集成运算放大器简介一、集成运算放大器电路的特点uP输入级中间级输出级偏置电路uNuO输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小零点漂移和抑制干扰信号。u+输入级中间级输出级偏置电路u-uO中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成。输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，

并降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为电路提供稳定和合适的静态工作点。集成运算放大器的特点高增益、高可靠性、低成本、小尺寸二、集成运算放大器的符号、引脚符号：Auo

高:80dB～140dB,即104～107rid

高:105～1011ro低:几十～几百KCMR高:70dB～130dB引脚三、主要参数1.最大输出电压UOPP

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压电压放大倍数Auo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高构成的运算电路越稳定，精度也越高6.共模输入电压范围UICM

运放所能承受的共模输入电压最大值。7.共模抑制比KCMR愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB四、理想运算放大器及其分析依据1．理想运算放大器的慨念开环差模电压放大倍数无穷大Auo

，差模输入电阻无穷大

rid，开环输出电阻为零ro0，共模抑制比无穷大

KCMR2．运算放大器传输特性

+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O

u+–u–

uo线性区：uo

=

Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo

=–Uo(sat)

+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O

u+–u–

uo理想运算放大器3.理想运放工作在线性区的两条分析依据1)因Auo→∞，而输出电压uo是一个有限的数值++∞uou–u+i+i––uo

=

Auo(u+–

u–

)称为“虚短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0输入电流近似为0，即i+=i–0，称“虚断”

Auo越大，线性范围越小，

必须加负反馈才能使其工作于线性区。4.理想运放工作在饱和区

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象当u+>u–

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo

=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

例3-1F741运算放大器的正、负电源电压为±15V，开环差模电压放大倍数Auo=2×105，输出饱和电压±Uo(sat)=±13V。输入电压分别为：(1)u+=15µV,u-＝-10µV;(2)u+

＝-5µV,u-＝10µV；(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，求输出电压及其极性。解：两输入端的电压差超过65µV,输出电压就达到正或负的饱和值。(1)(2)(3)(4)uo

=

Auo(u+–

u–

)u+=15µV,u-＝-10µV;(2)u+

＝-5µV,u-＝10µV

(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，第二节集成运算放大器在运算方面的应用集成运算放大器引入适当的负反馈，可使输出和输入之间具有某种函数关系，如比例、加法、减法、积分、微分、对数与反对数、乘除等运算。一、比例运算1．反相输入比例运算电路输入、输出另一端均为地,“、+、-”可略。uoRFuiR2R1++––++–R2=R1//RFifiii–i+uoRFuiR2R1++–反相比例运算

因u–=u+=0因i+=i–=0所以iiif

闭环电压放大倍数：反相比例运算uoRFuiR2R1++––++–－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈电压并联交直流负反馈反馈类型？例3-2电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数Auf。1.当S断开时：解：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2.当S闭合时：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2．同相输入比例运算电路uoRFuiR2R1++–R2=R1//RFifi1闭环电压放大倍数:因i+=i–=0i+=i–=0同相比例运算电压串联交直流负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++–反馈类型？uiuoRFR3R2++–R1同相比例运算即R1=，RF

=0，Auf=1

，

uo=ui

，

称电压跟随器。uoui++–uo++–15k15k+15V

7.5k例3-3试计算图示电路中uo的大小。解：由于

uo只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放的参数无关。

同相比例运算的特例例3-4如图所示电路，已知RF＝100kΩ，

R1＝50kΩ，输入电压ui＝3sinωtV，求电压放大倍数和输出电压uo。uoRFuiR2R1++–解：电压放大倍数二、加法运算

1.反相加法运算电路R2=Ri1

//Ri2

//Ri3//RFii3ii1if因u–=u+=0因虚断，i–=i+=0

当Ri1=Ri2=Ri3=RF时，uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2ii2例3-5一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100kΩ。uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2解：三、减法运算ui2uoRFui1R3R2++–R1R2//R3

=R1

//RF利用叠加原理:

ui1单独作用时反相输入比例运算：

ui2单独作用时，为同相输入比例运算：u+ui2uoRFui1R3R2++–R1u+如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

输出电压等于两个电压之差。例3-6在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压uo。uo1ui1++–+–uoui2RRRA1A2+RRR解：四、积分运算uoCFuiR2R1++–ifi1uC+–则i1=if

设电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有i+=i–=0当ui为阶跃电压时uitOUi积分饱和线性积分时间uotO+Uo(sat)–Uo(sat)输出电压随时间线性变化

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。uoCFuiR2R1++–RFifi1上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分五、微分运算uoC1uiR2RF++–由虚短及虚断性质可得i1=ififi1uitOUi当ui为阶跃电压时

uotO第三节集成运算放大器在测量技术中的应用一、电压源、电流源I1IFRFUOUZR2++–R1RVS＋－+US由虚短及虚断性质可得输出电压可以认为是恒压源。改变反馈电阻RF的大小，可以改变输出电压UO的大小。电流源ILRFUZR2++–R1RLVS＋－+USF由虚短及虚断性质可得

IL的大小与负载RL无关，所以该电路构成电流源电路，改变RF的大小可以改变电流源的电流值。二、电压、电流的测量IPRF++–UXRP这种毫伏表能测量1mV左右电压，具有高灵敏度，高输入电阻、高稳定性能等优点。例如：表头是一块100µA的直流微安表，RF取10Ω，则可测量的满偏电压UX=IPRF=1mV。以直流毫伏表为基础，加上分压器或分流器就可以构成多量程的直流电压表或电流表。如果将表头改接到一个桥式整流电路中，就可以测量交流电压和交流电流。第四节集成运算放大器在信号处理方面的应用一、有源滤波器滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过，而抑制其余频段的信号。常用的滤波器：低通、高通等。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。优点：体积小、效率高、频率特性好。一、有源滤波器1.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–uiuoRFuCCR++–R1+–以频率为变量，为通频带放大倍数幅频函数：相频函数:幅频特性0|Auf0||Auf(j)|O幅频函数：uoRFCR++–R1uiRC二阶有源低通滤波器为使

>

0时信号衰减得更快，将两节RC滤波串接，组成二阶有源低通滤波器。二阶一阶幅频特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1以频率为变量，uiuoRFCR++–R1为通频带放大倍数幅频函数：相频函数:幅频特性0|Auf0||Auf(j)|O控制信号二、采样保持电路

采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。模拟开关模拟输入信号采样存储电容电压跟随器SuC+–ui+–uo+–++–uG采样阶段：

uG为高电平，S闭合，ui对存储电容C充电，

uo=uC

=ui

。保持阶段：

uG为0，

S断开，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。控制信号uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+–ui+–uo+–++–uG运放的作用？三、电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。判断输入信号的大小和极性。

运放工作在开环状态（或正反馈）

运算放大器工作在饱和区。1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象URuouiR2++–R1参考电压电压传输特性:

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo

=–

Uo

(sat)可见，在ui

=UR处输出电压uo

发生跃变。ui与uo的关系

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++–R1当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++–R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用电压比较器将正弦波变为方波ui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++–R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2电压传输特性输出带限幅的电压比较器uo'RVSuouiR2++–R1设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ电压传输特性uiuoO例3-7电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，其周期为T，输出端外接RC电路的时间常数RC<<，试画出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++–+–CAui>0

时，uo

=+Uo

(sat)

ui

<0

时，uo

=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuoRVDuLuiRL++–+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–U